DIM32: Kleben gegen den Stau

“Hier, probieren Sie mal.” FH-Mitarbeiter Lukas Nonte hält seinem Chef ein Stahlteil hin. Es besteht aus zwei filigranen Stahlprofilen, die über Eck miteinander verklebt sind. Prof. Dr. Jörg Laumann nimmt das Teil in beide Hände und versucht, die Klebeverbindung zu lösen – ohne Erfolg. Was im Stahlbaulabor der FH Aachen im Kleinen entwickelt und getestet wird, soll in einigen Jahren auch in einem sehr viel größeren Maßstab funktionieren: Mit Klebeverbindungen sollen zukünftig ganze Autobahnbrücken aus Stahl- und Stahlverbundbauweise stabilisiert werden.

Längere Nutzungsdauer

“Wir hoffen, dass wir eine Verlängerung der Nutzungsdauer von 15 bis 20 Jahren erreichen können”, blickt der Stahlbauexperte in die Zukunft. Und das Problem drängt: Viele Autobahn- und Bahnbrücken aus den 1960er- und 1970er-Jahren sind marode; wenn sie nicht mehr verkehrssicher sind, müssen sie abgerissen und Alternativbauten errichtet werden. “Die Bauwerke sind damals einfach nicht für die Lasten ausgelegt worden, die sie heute tragen müssen”, sagt Prof. Laumann.

Das beste Beispiel für diese Problematik ist die Rahmedetalbrücke, ein Teil der Autobahn 45, die Dortmund und Frankfurt verbindet. 2021 wurden Verformungen im Überbau festgestellt, die eine sofortige Sperrung und im Jahr 2023 schließlich die Sprengung erforderlich machten. Der Neubau wird frühestens 2026 fertig – das Resultat sind fünf Jahre Stau, Ärger und Umweltbelastungen.

Beulen gefährden die Stabilität

Häufig geht es bei den betroffenen Stahlbrücken um die sogenannten Stege. Sie verformen sich unter der Last und werfen – vereinfacht gesagt – Beulen, die wiederum die Gesamtstabilität gefährden. Der Clou an der Technologie, die im Institut für Baustoffe und Baukonstruktionen (IBB) der FH entwickelt wird, liegt darin, dass sogenannte Beulsteifen auf die Problemstellen geklebt werden. Das Anbringen von Profilen zur Verstärkung ist nicht neu, bislang werden sie aber zumeist verschraubt oder angeschweißt. „Das wirft eine Reihe von Problemen auf“, sagt Prof. Laumann. Viele Stahlsorten aus der damaligen Zeit lassen sich nicht schweißen. Darüber hinaus stellen jedes Bohrloch und jede Schweißnaht einen Eingriff ins Material dar, was wiederum zu einer Schwächung und zum schnelleren Ermüdungsversagen führt.

Gemeinsam mit seinem Kollegen Banusan Jeyadevan demonstriert Lukas Nonte im IBB-Labor, wie die Ermüdungsversuche durchgeführt werden: Zwei Stahlteile werden miteinander verklebt, anschließend werden sie in eine Maschine eingespannt, die die beiden Enden auseinanderzieht, und das bis zu zwei Millionen Mal – die Fachleute sprechen von Schwingspielen. „Mit diesem Versuch erforschen wir, welche Auswirkungen die einzelnen Parameter auf die Dauerhaftigkeit der Klebeverbindung haben“, erläutert Lukas Nonte. Da geht es um die Länge der Überlappung, also um die geklebte Fläche, aber auch um die Dicke der Klebschicht und die Vorbehandlung des Bleches. Die Maschine arbeitet mit einer Frequenz von 10 Hertz, das heißt, dass die Zuglast – in diesem Fall rund 800 Newton – zehnmal pro Sekunde auf den Prüfkörper einwirkt. Pro Tag kommen bei Dauerbetrieb 864 000 Zyklen zusammen; die Maschine läuft also mehr als zwei Tage durch, wenn die zwei Millionen erreicht werden sollen.

Auf dem Dach und im Klimaschrank

In der aktuellen Forschungsreihe untersucht das Team von Prof. Laumann mehr als 150 Prüfkörper, jeweils mit unterschiedlichen Parametern. Parallel läuft die Vorbereitung für weitere Untersuchungen. Auf dem Dach des Gebäudes Bayernallee 9 sind mehrere geklebte Probekörper montiert. “Sie sind ein Jahr lang der Witterung ausgesetzt”, sagt Lukas Nonte, “danach werden wir prüfen, welche Auswirkungen Feuchtigkeit, Kälte und UV-Strahlung auf die Dauerhaftigkeit der Klebeverbindung haben.” Gleichzeitig finden Versuche im Klimaschrank statt. Schließlich sind auch die Brücken über viele Jahre Witterungseinflüssen ausgesetzt.

Umfangreiche Simulationen

Der nächste Schritt wird sein, die Erkenntnisse im Realmaßstab zu verifizieren. Dazu will das IBB-Team auf eine Anlage im neuen Aachener Zentrum für Holzbauforschung in Simmerath zugreifen. Dort steht eine servohydraulische Ermüdungsprüfmaschine, mit der die Klebstoffverbindungen erforscht werden können. Gerade bei großflächigen Klebungen ist es wichtig, dass der Klebstoff gleichmäßig aufgetragen wird. Banusan Jeyadevan erklärt: “Wenn es Lufteinschlüsse gibt, nimmt die Dauerhaftigkeit stark ab.” Ergänzt werden die praktischen Experimente durch umfangreiche Simulationen, etwa unter Zuhilfenahme der Finite-Elemente-Methode.

Prof. Laumann nimmt regelmäßig Studierende des Bauingenieurwesens – zum Beispiel im Rahmen der Stahlbau- und Brückenbaumodule – mit ins Labor und zeigt ihnen die Versuche. Auch Exkursionen zu Brückenbaustellen gehören zum Angebot für die Studierenden. Am Fachbereich Bauingenieurwesen gab es zudem bereits mehrere Abschlussarbeiten zum Thema Kleben. Gefährdete Brücken, bei denen die am IBB entwickelten Methoden zum Einsatz kommen könnten, gibt es jedenfalls genug.

Kleben gegen den Stau In FH-Laboren wird an neuartigen Klebeverbindungen für Stahlbrücken geforscht

Längere Nutzungsdauer

Beulen gefährden die Stabilität

Auf dem Dach und im Klimaschrank

Umfangreiche Simulationen

Autor

Arnd Gottschalk M.A.

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